超光谱成像仪指向反射镜热光学特性分析

    0 引 言

    超光谱成像仪（HSI）又称作成像光谱仪，是一种“图谱合一”的光学遥感仪器，它能够同时获取地物的影像及其每个像元的光谱。超光谱成像仪是对地遥感观测技术发展的前沿，代表着当前监测地球环境动态变化最有效的空间光学遥感器的发展方向^[1]。

    超光谱成像仪作为航天对地观测光学遥感器，在轨运行时受到空间外热流、4 K 冷黑、内热源共同作用，所处环境与地面加工装调环境相比要恶劣得多。在轨道恶劣的温度环境作用下，光机结构以及光学元件产生热变形，带来附加像差，降低光学质量。超光谱成像仪热光学特性就是研究超光谱成像仪在典型温度场作用下，其光机结构、光学元件产生变形后对光学质量的影响。热光学特性涉及光、机、热领域，是材料选择比较、结构优化设计的重要指标，也是后续超光谱成像仪的热控基准指标。

    文中针对超光谱成像仪指向反射镜展开研究，利用有限元、光学面形处理等手段，实现“光－机－热”计算机集成仿真，分析其热光学特性。提出两种超光谱成像仪指向镜热光学特性的描述方法，结合实例进行了热光学仿真，并对仿真结果进行分析和讨论。

    1 指向反射镜热光学特性研究方法

    指向反射镜位于超光谱成像仪光学系统的最前端，尺寸较大，直接面对观测对象，受到冷黑空间，地球红外辐射、地球阳光反射作用，靠近内部热源（驱动电机），使镜体受到非对称的热载荷作用，工作环境复杂，最容易受到环境的影响，有必要对其热光学特性开展研究。

    光学元件的热光学特性是指光学元件由于温度场的作用对其光学特性产生的影响。对于指向反射镜来说就是要研究在一定温度场作用下，镜体产生刚体位移及镜面产生热变形后对指向性及光学波前的影响。热光学特性好说明该系统的热适应性和热尺寸稳定性高，系统的可靠性也高。研究指向反射镜热光学特性，一方面作为指向镜设计的参考依据，在光学和结构设计时合理选用热光学特性好的材料及结构；另一方面光机设计确定后，作为热控指标制定的依据。

    热光学特性研究涉及光、机、热众多领域，还受到加工、装调影响，存在很多随机和不确定因素，无法建立“温度－像质”之间的显式函数关系，只能通过计算机集成仿真手段模拟，并通过相应的热光学试验加以验证。

    如图 1 所示，点划线方框内表示研究指向反射境热光学特性仿真的技术路线，其工作一般包括屏幕样机建立、模型热分析、热弹性分析、Zernike 多项式拟合以及光学分析计算等工作。指向反射镜热光学特性研究是以光学、结构设计结果作为研究对象，通过建立典型温度场，进行热弹性求解，进而得到光学系统成像质量因温度场作用改变的规律，是一种光机热集成仿真分析。由于设计本身是一种不断求精、反复迭代的过程，所以热光学分析也要经过多次的循环。